重庆建峰化工股份有限公司(以下简称重庆建峰化工公司)第二套大化肥装置中的池式冷凝器是荷兰斯塔米卡邦公司(Stamicarbon)CO₂汽提法尿素工艺的关键设备，也是Stamicarbon与奥地利肖埃勒－布莱克曼容器制造公司(Schoeller-Bleckmann Nooter)合作开发的专利设备，其在Stamicarbon前期的尿素工艺中承担NH₃与CO₂的第一次尿素合成，见图 1。在Stamicarbon优化工艺后，取消了尿素合成塔，将合成塔与池式冷凝器整合成池式反应器，成功应用在孟加拉国沙迦拉化肥厂。池式反应器与池式冷凝器结构大同小异，但增大了反应空间，节省了项目投资。

图 1

池式冷凝器工艺流程

尿素合成的简要流程：来自合成氨装置脱碳系统的CO₂经CO₂压缩机升压后，从汽提塔底部进入，将尿素溶液中多余的氨、甲铵、水等汽提出进入池式冷凝器；来自合成氨装置的液氨经高压氨泵升压后，通过甲铵喷射器驱动来自洗涤塔的甲铵，混合后进入池式冷凝器；两股流体在池式冷凝器中充分混合并发生尿素合成反应；从池式冷凝器出来的含有尿素、甲铵、过量的氨以及CO₂的物料分两股流体引入尿素合成塔进行尿素的再次合成，得到的尿素溶液通过合成塔溢流管进入汽提塔，被CO₂汽提后进入低压系统进一步浓缩和净化；从尿素合成塔顶部出来的未反应的氨和CO₂流入高压洗涤塔冷凝回收。

为了提高CO₂转化率，形成较大的反应和物料均匀混合空间，在选择池式冷凝器工艺路径时，确定了工艺流体走池式冷凝器的壳程、冷凝液及产生的蒸汽走管程的物料布局，见图 2。

图 2

池式冷凝器物料布局

尿素合成的特点是首先生成不稳定的甲铵，甲铵脱水后生成尿素。不论是第一次尿素合成还是第二次尿素合成，流体中都存在大量的甲铵，而甲铵具有强烈的腐蚀性，特别是高温高压下的腐蚀性更强。虽然Stamicarbon在进行高压系统工艺设计时，与尿液接触的设备、管道选用了耐腐蚀的Safurex材料，但尿素高压设备、管道在运行中依然避免不了甲铵的腐蚀，特别是介质高速流动带来的冲刷腐蚀，很多装置的汽提塔分布管由于管头腐蚀已进行了部分或全部更换。

此外，池式冷凝器特殊的结构设计布置，使管侧蒸汽不断冲刷腐蚀管板，造成了管板的不可逆损害，给设备自身的安全带来了很大的风险，威胁着装置的稳定运行。近几年，随着国内外Stamicarbon尿素2000plusTM工艺装置的相继投产，一个共性问题即池式冷凝器管板受到蒸汽冲刷腐蚀的破坏越来越严重被暴露出来^[1]。

重庆建峰化工公司尿素装置中的池式冷凝器为U形管换热器，壳侧为高压侧，用于进行尿素合成，筒体强度层材料为碳钢，内衬Safurex超级双相不锈钢；管侧为低压侧，主要利用尿素合成产生的热量将蒸汽冷凝液转化为低压蒸汽，管侧筒体材料为碳钢，换热管材料为Safurex超级双相不锈钢；管板设计为碳钢材料，与尿液介质接触的一侧堆焊了Safurex超级双相不锈钢^[2]。池式冷凝器管板的最大特点是管板与列管的连接采用深孔焊专利技术，列管不穿透管板，见图 3。而常规管板式换热器，不论是强度胀接、强度焊接还是胀焊并用，列管都穿透管板，见图 4。

图 3

管板列管深孔焊接示意

图 4

常规管板式换热器列管与管板的连接示意

由图 4可知，常规管板式换热器运行时管程介质不与管板孔接触，而深孔焊管板换热器则相反，运行时管程介质直接与管板孔接触。

管板孔因为与介质直接接触，设备处于长期的冲刷腐蚀中，随着运行时间延长，采用Stamicarbon尿素工艺的池式冷凝器管板孔变形、剥离、扩大越来越明显，有的设备已开始报废，有的正处于加速腐蚀阶段，给装置的稳定运行带来较大的隐患。

2016年3月，某厂池式冷凝器蒸汽冷凝液电导超标，分析后判定为池式冷凝器泄漏。对设备管侧和壳侧进行检查后发现，管侧碳钢管板“管桥”出现贯穿性空穴，见图 5；壳侧管束拉杆、堆焊层出现管板变形，管束发生异常移位，见图 6。

图 5

池式冷凝器管侧碳钢管板“管桥”贯穿性破坏

图 6

池式冷凝器壳侧管束变形

冲刷腐蚀使管板孔遭受不可逆破坏，失去修复价值，直接后果是整台设备报废。

鉴于Stamicarbon尿素装置相同的工艺条件，2016年6月，重庆建峰化工公司利用消缺机会，对池式冷凝器E205的管板孔径进行了自查，发现管板蒸汽出口管孔已有冲刷腐蚀扩大现象，靠近Safurex堆焊层的孔径最大，随蒸汽流动方向成倒喇叭形(见图 7)，最大孔孔径比标准孔孔径(Φ 20.5 mm)大0.7 mm，有较大部分的孔径比标准孔径大0.2 mm左右。

图 7

管板孔冲刷腐蚀变形示意

2018年1月装置大修，专业公司对池式冷凝器进行了检测，结果发现管板孔冲刷腐蚀有加速扩大的趋势，特别是蒸汽出口侧的管板孔径变化明显^[3]。短短一年半时间，管板孔出现了更深程度的冲刷腐蚀，蒸汽出口端管板最小孔径为Φ 21.2 mm，最大孔径为Φ 23.4 mm，平均直径为Φ 22.46 mm，孔径为Φ 23.1~23.4 mm的管板孔占比3.09%；冷凝液进口端管板最小孔径为Φ 21.3 mm，最大孔径为Φ 23.0 mm，平均直径为Φ 22.04 mm，孔径为Φ 22.5~23.0 mm的管板孔占比2.82%。与国内其他同类型厂家交流后得知，池式冷凝器管板孔的冲刷腐蚀现象普遍存在。

池式冷凝器管板孔变形剥离扩大最直接的原因是蒸汽流动长期的物理冲刷作用，特别是在深孔焊接处，由于焊缝肉内凹，运行时产生二次回流，加速了物理冲刷影响；同时在管板堆焊层，由于热应力影响，碳钢组织晶粒变大，与堆焊的奥氏体不锈钢形成了较大的电位差，产生了电化学腐蚀，进一步加速了此处管板的腐蚀。设计、选材、运行工况等因素也有影响，可以通过优化设计、控制系统运行参数等进行调节或消除，但流体冲刷和电化学腐蚀的影响始终存在，设备的使用寿命取决于流体冲刷腐蚀的速率^[4]。

针对池式冷凝器管板孔的变形剥离扩大，通过与Stamicarbon和国内专业厂家沟通，结合技术可靠和经济合理性，重庆建峰化工公司决定对池式冷凝器管板孔增加保护套改造。

改造方案：①套管贯穿管板到堆焊层，但必须距深孔焊缝位置8~10 mm，避免伤及深孔焊缝，见图 8；②套管与堆焊层胀接贴合，胀接时胀头的轴向位置不能偏移太大，避免伤及深孔焊缝；③由于受流体反向冲力，套管必须轴向定位，可通过管头点焊实现。套管安装示意见图 9。

图 8

管板孔冲刷腐蚀变形示意

图 9

套管安装示意

2019年1月，重庆建峰化工公司第二套大化肥装置进行大修，同时对池式冷凝器蒸汽出口侧2 200只管板孔进行了加2205双相不锈钢套管的改造(见图 10)，改造的目的是避免设备运行时蒸汽对管板孔的直接冲刷腐蚀，延长设备的使用寿命，减小设备突发事故风险。

图 10

管板孔增加套管效果示意

经过近一年时间的运行，从运行工艺参数看，管板孔改造对工艺参数的影响非常小。2019年12月装置大修，对管板孔加套管改造进行了设备内部检查，总体情况如下：

(1) 从外观看，所有套管无松动、脱落，管头焊点牢固结实、无腐蚀。

(2) 从拔出的套管情况看，无变形、腐蚀现象。

(3) 从内窥观察、实测腐蚀孔洞数据看，管板孔无扩大增生。

结果表明池式冷凝器管板孔加套管的改造是成功的，达到了修复改造的目的，是解决大化肥装置冲刷腐蚀问题的一种有效手段。更深的意义在于根据工艺运行状况，提前谋划设备的自身安全措施，如在设备制造时，主动考虑加双相钢套管或双相钢复合层等，必将大大延长设备的使用寿命。